Kalorimetrie und Reaktionsenthalpie

Bei Kalorimetrie geht es um die Messung von Wärmemengen. Wie man kalorimetrische Messungen durchgeführt, wird weiter unten beschrieben. Vorher werden wichtige Begriffe und Prozesse erklärt.

Innere Energie, Reaktionswärme und Arbeit

Änderung der inneren Energie	Eine chemische Reaktion führt dazu, dass sich die innere Energie $\Delta$ U des Reaktionssystems durch die Energieumwandlung verändert. Dabei können eine bestimmte Wärmemenge (Q) und eine physikalische Arbeit (W) verrichtet werden.	Die Differenz der inneren Energie des Systems: $\Delta U = Q + W$
Reaktionswärme bei exothermen Reaktionen	Während der Reaktion wandelt sich ein Teil der inneren Energie in thermische Energie um. Diese wird als Reaktionswärme Q an die Umgebung übertragen. Deshalb ist die innere Energie nach der Reaktion geringer als davor.	Weil die innere Energie nach der Reaktion geringer ist, nimmt Q einen negativen Wert an und ist kleiner als Null: $\Delta Q < 0$
Reaktionswärme bei endothermen Reaktionen	Das System nimmt Energie aus der Umgebung auf. Somit ist die innere Energie des Systems nach der Reaktion grösser als davor.	Weil die innere Energie nach der Reaktion höher ist, nimmt Q einen positiven Wert an und ist grösser als Null: $\Delta Q > 0$
Arbeit	Wenn bei einer chemischen Reaktion Gase entstehen, so wird mechanische Arbeit verrichtet. Diese wird Volumenarbeit W genannt. Wenn das System bei der Reaktion Arbeit an der Umgebung verrichtet, werden Gase freigesetzt und die innere Energie des Systems nimmt ab. In diesem Fall ist der Wert für die Volumenarbeit W kleiner als Null (W < 0). Wenn die Umgebung Arbeit am System verrichtet, verringert sich hingegen das Gasvolumen. Dann ist der Wert W grösser als Null (W > 0).	Bei konstantem Druck p ergibt sich aus dem Produkt der Volumenänderung $\Delta$ V die Volumenarbeit W: $W = - p \cdot \Delta V$

Reaktionsenthalpie

Die Reaktionsenthalpie ist eine Zustandsgrösse und beschreibt den Zusammenhang zwischen der inneren Energie eines Systems, also dem Druck, und dem Volumen. Reaktionsenthalpie $\Delta_r$ H ergibt sich somit aus...

der Änderung der inneren Energie und
der bei der Reaktion verrichteten Volumenarbeit.

Bei den meisten chemischen Reaktionen ist der Druck konstant (z.B. bei offenen Gefässen). In diesem Fall gilt Folgendes:

Die Änderung der inneren Energie $\Delta$ U	Die innere Energie $\Delta$ U entspricht der Reaktionswärme Q und der dabei geleisteten Volumenarbeit ( $p \cdot \Delta V$ ): $\Delta U = Q - p \cdot \Delta V$
Die Reaktionswärme Q	Für die Reaktionswärme Q gilt somit: $Q = \Delta U + p \cdot \Delta V$
Die Reaktionsenthalpie $\Delta_r$ H	Die Reaktionsenthalpie $\Delta_r$ H entspricht bei konstantem Druck der Reaktionswärme Q. Somit gilt: $\Delta_r H = Q$ Und das bedeutet wiederum: $\Delta_r H = \Delta U + p \cdot \Delta V$

Bestimmung der Reaktionswärme

Die Reaktionsenthalpie entspricht also bei einem konstanten Druck der Reaktionswärme. Doch wie wird diese Reaktionswärme bestimmt? Wie findet eine kalorimetrische Messung statt?

Ein einfaches Kalorimeter besteht aus einem von einem Wasserbad umgebenen Reaktionsgefäss (siehe Bild unten). Mit einem Kalorimeter kann man die Wärme Q, die bei einer Reaktion abgegeben oder aufgenommen wird, bestimmen.

Chemie; Energetik; 3. Gymi; Kalorimetrie

Ein einfaches Kalorimeter: (1) Thermometer; (2) Rührer; (3) Reagenzglas mit einem Reaktionsgemisch; (4) Reaktionsgefäss mit Wasserbad; (5) Wasser

Beispielsweise wird bei einer exothermen Reaktion die Wärme Q vom Reaktionssystem an das Wasserbad übertragen und das führt dazu, dass die Temperatur des Wassers steigt. Diese Temperaturzunahme kann man mit einem Thermometer messen. Dabei ist die Reaktionswärme Q proportional zur gemessenen Temperaturdifferenz $\Delta$ T:

$Q \thicksim \Delta T$

Um die Reaktionswärme Q berechnen zu können, braucht man die eingesetzte Wassermenge. Wenn die Temperatur um 1 K steigt, nimmt 1 g Wasser 4,18 J Energie auf. Deshalb beträgt die spezifische Wärmekapazität $c_p(H_2O)$ des Wassers:

$4,18 J \cdot g^{-1} \cdot K^{-1}$

Da es sich hier um eine exotherme Reaktion handelt, ergibt sich daraus die folgende Formel für die Berechnung der eingesetzten Wassermenge:

$Q = -c_p (H_2 O) \cdot m(H_2 O) \cdot \Delta T$

Aber nicht nur das Wasser nimmt Wärme auf, sondern alle Teile des Kalorimeters. Deshalb muss man auch die Wärmekapazität des Kalorimeters, also den Wasserwert, bestimmen, damit die Reaktionswärme genauer ermittelt werden kann. Diese Ermittlung des Wasserwertes erfolgt experimentell.

Für eine möglichst exakte Bestimmung der Reaktionswärme, sollte man zudem das Kalorimetergefäss nach aussen isolieren. So wird der Wärmeaustausch mit der Umgebung minimiert.